Klausurvorbereitung

-> nur 3 & 4 sind richtig

Teilung in einer Ebene:

• Streptokokken: wiederholte Teilung -> kettenförmige Verbände (A)

• Diplokokken: teilen sich 1mal & bleiben paarweise verbunden (B)

Teilung in 2 Ebenen (senkrecht zueinander):

• Tetrakokken: -> Vierergruppen (C)

Teilung in 3 Ebenen (senkrecht zueinander):

• Sarcinae: -> würfelförmige Zellpakete (D)

Unregelmäßige Teilung:

• Staphylokokken: Teilung in versch. Ebenen & unregelm. Zusammenbleiben von Zellen -> traubenförmige Haufen (E)

= Teilentkeimung: nur Abtötung vegetativer Zellen (10min 80°C feuchte Hitze)

• 3 Lactat(-) -> 2 Propionat(-) + CO2 + H2O

• Propionibacterium, Chlostridium propionicum

• Test auf sekretierte Proteasen (Caseinat-Abbau)

• Caseinat = denaturiertes Casein, säureaufschluss

• Nachweis Abbauhof über Na2SO4 in H2SO4

= je kleiner der Organismus, desto größer das Oberflächen-Volumen-Verhältnis

• geringe Größe, wenige Mikrometer (meist 1-10 μm): große relative Oberfläche -> hohe Stoffaustauchraten mit Umgebung

  => Voraussetzung für schnelles Wachstum + hohe Individuenanzahl

L. Pasteur (1822-1895):

• fr. Chemiker & Mitbegründer der wissensch. Mikrobiologie

• Gärung + Essigherstellung beruhen auf MO

• Gärung = Leben ohne Sauerstoff

• Methode der Hitzesterilisation (“Pasteurisieren”)

• Widerlegung der Ur- / Spontanzeugung (Experiment mit Schwanenhalskolben -> s. Bild)

R. Koch (1843-1919):

• dt. Arzt; Nobelpreis f. Medizin 1905

• Entdeckung der Erreger für Milzbrand (Bacillus antracis), Cholera (Vibrio cholerae) & Tuberkulose (Mycobacterium tuberculosis)

• Koch’sche Postulate: experimentell überprüfbare Ursache-Wirkungs-Beziehung bei Infektionskrankheiten

• Verwendung von Tiermodellen, Färbemethoden, festen Nährmedien, Kartoffelscheiben (später Nährboden verfestigt mit Gelatine & Agar), Verwendung von Reinkulturen

S. Winogradsky (1856-1953):

• russ. Mikrobiologe

• chemolithotrophe Bakterien: Oxidation von anorg. Verbindungen (z.B. S, NH4) zur Energiegewinnung

• Anreicherungskultur: “Winogradskisäule”

[Cytoplasmamembran = innere Membran]

=> Zellwandtyp: Gr -

=> prokaryontische Geißel (Gr - Zelle)

=> Peptidoglykan

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Chem. Bestandteile:

• Rückgrat: Polysaccharid (Glykan)

  -> N- Acetylglucosamin (G) + N-Acetylmuraminsäure (M)

  -> 1,4-ß-glikosidisch verknüpft

• M: über Lactyl-Rest verknüpft mit Pentapeptid aus ungewöhnl. AS

  -> D-Glutamat, D-Alanin (in Proteinen: L-Glu + L-Ala)

  -> meso-2,6-DAP (Diaminopimelinsäure)

• Quervernetzung der Glykan-Stränge durch Peptidbindung zw. D-Ala & m-DAP

• Synthese aus Pentapeptidvorstufen, Abspaltung des terminalen D-Ala von Pentapeptid bei Transpeptidierung (Quervernetzung über Peptidbindung) während PG-Synthese resultiert in Tetrapeptiden

Peptidoglykan-Struktur in E. coli:

• Rückgrat: Polysaccharid (Glykan)

  -> N- Acetylglucosamin (G) + N-Acetylmuraminsäure (M)

  -> 1,4-ß-glikosidisch verknüpft

• M: über Lactyl-Rest verknüpft mit Pentapeptid aus ungewöhnl. AS

  -> D-Glutamat, D-Alanin (in Proteinen: L-Glu + L-Ala)

  -> meso-2,6-DAP (Diaminopimelinsäure)

• Quervernetzung der Glykan-Stränge durch Peptidbindung zw. D-Ala & m-DAP

• Synthese aus Pentapeptidvorstufen, Abspaltung des terminalen D-Ala von Pentapeptid bei Transpeptidierung (Quervernetzung über Peptidbindung) während PG-Synthese resultiert in Tetrapeptiden

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• versch. Antibiotika (z.B. Penicillin) verhindern Quervernetzung (Transpeptidierung) der PG-Stränge während Synthese

-> gerichtete Zufallsbewegung = “random biased walk”

Gleitende Fortbewegung auf Oberflächen

=> versch. Mechanismen:

• Typ-IV-Pili (Myxobacterien): Anheften auf Oberfläche -> Pili verkürzt -> hangeln entlang (s. Bild)

• Schleimabsonderung (Schleimauspressung: einige Cyanobakterien)

• Bewegung von Proteinen auf Zelloberfläche (Cytophaga, Flavobacterium)

• 1000x langsamer als Schwimmen mit Flagellen

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-> 2 versch. Mechanismen:

• neben Pili (= social mobility):

  “focal adhesion motor” für “adventurous motility”

-> “Run and Tumble”:

= gerichtete Fortbewegung entlang Gradienten von Lockstoffen & Schreckstoffen

-> Lockstoffe = Attraktantien: Nährstoffe (z.B. Zucker, AS, O2)

-> Schreckstoffe = Repellentien (z.B. Indol, Phenol, Acetat, O2)

• ermöglicht Orientierung zum Aufsuchen günstiger Umgebungen

• beinhaltet komplexes „Verhalten“, Reizwahrnehmung durch Chemosensoren, Reizweiterleitung & Adaption („biochem. Gedächtnis“)

• Bakterienzelle zu klein für räumliche Konzentrationsmessung

  -> Prinzip: zeitl. Versetzter Vergleich von Konzentrationen !

• Abwesenheit von Attraktantien: Zelle schwimmt nach Zufallsprinzip auf Geraden, unterbrochen durch häufige zufällige Richtungswechsel

  -> CW-Rotation: Taumeln

• Anwesenheit von Attraktantien: Geraden („runs“) in Richtung höherer Konz. werden länger (= gerichtete Zufallsbewegung)

  -> CCW-Rotation: Taumeln seltener

  -> Konsequenz: Zelle bewegt sich schrittweise entlang Gradienten in Richtung Attraktant

lytischer & lysogener Replikationszyklus:

• Vermehrung der Phagen durch Nutzung zellulärer Synthesemaschinerie

  -> Lyse der Zelle & Freisetzung der Phagen

  -> „burst size“: > mehrere 100/Zele

• in einigen („temperenten“) Phagen (z.B. Lambda) kann „lysogener“ Zyklus alternativ zu lytischem Zyklus ablaufen

• Einbau des Phagengenoms ins Wirtsgenom: „Prophage“

  -> wird stabil weitervererbt

  -> Re-Induktion des lytischen Zyklus möglich

• in Genomen fast aller Bakterien

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-> häufig durch Stress (z. B. Temperaturen, Nährstoffmangel, zellschädigende Noxen, Lytischer & lysogener Replikationszyklus oder stochastisch (minimale Fluktuationen in der Genexpression

Phänotypisch:

• Morphologie

  • Zellform & -größe, Koloniemorphologie, Gramverhalten, besondere Strukturen, Beweglichkeit

  • aber: untersch. MO oft morpholog. identisch (z.B. E. coli = Pseudomonas)

• Physiologie

  • Verwertung best. Substrate

  • Präferenz best. Wachstumsbedingungen (aerob/anaerob, thermophil, acidophil, etc.)

• Chemotaxonomie

  • Zusammensetzung von Murein, OM (LPS), Lipide (FS-muster)

  • Vorhandensein charakterist. Verbindungen (Chinone, Pigmente, Mycolsäuren)

• Immunologische Methoden (z.B. Serotypen [„Serovare“] von Pathogenen)

• -> Probleme:

  • Phänotyp ist variabel (Kulturbedingungen, Wachstumsphase, etc.)

  • Laborkultur erforderlich (aber: nur < 1% aller natürl. vorkommenden MO kultivierbar)

  • Dilemma: verwertbare phänotyp. Unterscheidungsmerkmale begrenzt & spiegeln evolutionäre Verwandtschaftsbeziehungen nicht wieder !

• dichotomer Schlüssel:

  • Kombination einfach zu bestimmender Merkmale (v.a. Morphologie / Stoffwechselleistungen)

  • Abfolge von Ja / Nein Entscheidungen

  • Nachteil: seriell -> zeitaufwendig

Phänotypisch:

Molekulare Taxonomie (molekularbiol. Identifizierung von MO):

• genotypische Analyse:

  • 16S rRNA Sequenzierung, fluorescence in situ Hybridisierung (FISH)

    -> FISH: Bsp. Für „phylogenetische Färbung“ einer intestinalen Mikrobengemeinschaft mit untersch. Fluoreszenz-markierten

    Sonden gegen best. Abschnitte der 16S rRNA

  • DNA-DNA-Hybridisierung

  • % G+C-Gehalt der DNA

  • Gesamtgenomsequenzierung & Proteom-Fingerabdruck

  • prinzipiell auch ohne vorausgehende Laborkultur bzw. an wenigen oder Einzelzellen möglich !

• Makromoleküle als molekulare Zeitmesser  [Carl Woese (1928-2012)]

  -> Sequenzvergleich von 16S rRNA Molekülen

• 16S rRNA (small subunit / SSU) als molekulare Marker

  • universell (in Eukaryonten: 18S)

  • essentiell -> hoher Informationsgehalt (E. coli: 1542 Nukleotide)

  • Sequenz leicht bestimmbar

  • konservierte + variable Regionen (ca. 65% identisch in allen Prokaryonten)

  • heute: > mehrere Mio. Sequenzen in Datenbanken

  • Berechnung von Stammbäumen basierend auf Sequenzvergleichen

    • Anordnung („Alignment“) der Sequenzen nach größtmöglicher Übereinstimmung

    • paarweiser Vergleich der Abweichungen in %

    • Astlänge äquivalent zu Ähnlichkeit / Divergenz

• „Archaebakterien“: seperate Entwicklungslinie -> distinkt von Bakterien

• Progenote = last universal common ancestor (LUCA) -> hypothetische Urzelle ~ 3,7 Mrd. J.

• „Archaebakterien“: seperate Entwicklungslinie -> distinkt von Bakterien

Bakterien:

• Morphologie: meist einfache Form, abgeleitet aus wenigen Grundtypen

• enthält Murein (Peptidoglycan)

Archäen (“Archaebakterien”):

• viele extremophile Vertreter

  • Anpassung an Lebensbedingungen auf früher Erde ® „lebende Fossilien“

  • aber: kürzliche Entdeckung mesophiler Archäen in Böden, Seen, Ozeanen

• phylogenetisch & physiologisch verschieden von Eubakterien

• einige Merkmale der Transkription & Translation ähneln Eukaryonten

• vielfältige Stoffwechseltypen

  • anaerobe/aerobe Atmung; häufig autotroph; z.T. einfache lichtgetriebene Energiegewinnung

  • keine Pathogene bekannt, aber einige mesophile Vertreter

    -> Teil des menschl. Mikrobioms

• z.T. einzigartige biochem., molekularbiolog., strukturelle, metabolische Eigenschaften

• 2 Haupt-Phyla: Euryarchaeota & Crenarchaeota

= lichtgetriebene Protonen-Pumpe in Halobakterien

• ähnelt Sehpigment Rhodopsin (purpurne Färbung)

• zusätzlicher Energiegewinn bei O2-Mangel

  -> ermöglicht langsames Wachstum + Aufrechterhaltung des Ionentransports

Irreführend, weil:

• kein Bakterium, sondern ein Archaeon

  -> Protein kommt nicht in Bakterien, sondern in Archäen vor

• kein “Rhodopsin” im eig. Sinn

  -> obwohl Cofaktor Retinal auch in tier. Rhodopsin vorkommt (z.B. im Auge) ist Funktion anders:

  • tier. Rhodopsin: Lichtsensor (Signaltransduktion)

  • Bacteriorhodopsin: Protonenpumpe (Energiegewinnung)

• nicht photosynthetisch

  -> zwar Licht als Energiequelle genutzt, aber kein Photosyntheseapparat, keine Elektronentransportkette, kein NADPH -> daher keine klassische PS

• Domäne -> Bacteria

• Phylum -> Proteobacteria

• Klasse -> Alphaproteobacteria

• Ordnung -> Rhodospirillales

• Familie -> Rhodospirillaceae

• Gattung -> Rhodospirillum

• Art -> R. rubrum

• (Bakterien) Stamm -> R. rubrum DSMZ 467T

Aquifex, Thermotoga & Thermodesulfobacterium:

• hyperthermophile Eubakterien ® Wachstumsoptimum > 80 °C

• einige biochem. Eigenschaften ähneln Archäen (Etherlipide)

Deinococci:

• ubiquitäres Vorkommen

• Deinococcus radiodurans

  • extrem resistent gegenüber UV- & ionisierender Strahlung

  • mittlere Letaldosis LD50: > 15.000 Gy (Gray) [H. sapiens: ca. 6 Gy -> 90% Letalität]

  • ubiqu. Vorkommen -> Gesteinsoberflächen, Fleischkonserven, Fisch, Tierkot, Kühlwasserkreislauf von Atomreaktoren

  • Strahlenresistenz

    -> effiziente DNA-Reparatursysteme (Doppelstrangbrüche)

    -> dich gepackte Chromosomenstruktur

    • assoziiert mit großen Mengen Mn2+ (antioxidat. Wirkung)

Spirochäten:

• Gr -; dünne (0,1 µm), schraubige & biegasme Gestalt; Endoflagellen

• viele nicht-pathogene Vertreter

  • freilebend im Schlamm von Gewässern

  • Zahnbelag

  • symbiotisch in marinen Muscheln

  • Bsp.: Treponema saccharophila: Pansen der Wiederkäuer, Enddarm von Termiten -> Vergärung von pflanzl. Polysacchariden

• Bsp. Pathogen:

  • T. pallidum -> Erreger der Syphilis

    • Geschlechtskrankheit

    • systematische Infektion mit chron. Verlauf

  • Borrelia burgdorferi -> Erreger der Borreliose („Lyme-disease“)

    • lineares Chromosom

    • chron. Verlauf mit neuropathischen Beschwerden

    • Übertragung durch Zecken

• Bacillus subtilis -> Firmicutes, Bacilli => Gr+

• Clostridium pasteurianum -> Firmicutes, Clostridia => Gr+

• Streptococcus salivarius -> Firmicutes, Bacilli => Gr+

• Myxococcus xanthus -> Deltaproteobacteria => Gr-

• Streptomyces griseus -> Actinobacteria => Gr+

• Azotobacter vinelandii -> Gammaproteobacteria => Gr-

• Mycoplasma pneumoniae -> Firmicutes, Mollicutes => w.n.

-> 2 & 4 sind korrekt

• Nostoc -> 2014

  • Cyanobakterium (Blaualge)

  • photoautotroph; fixiert CO2 + N2

  • bildet Heterozysten: spezialisierter Zelltyp zur Stickstofffixierung

  • mehrere Filamente umschlossen von makroskopischer Schleimkapseln: „Teichpflaume“ (auch „Engelsschnäuze“)

  • auf Wiesen & Seen; mehrere cm groß

  • Nahrungsmittel in manchen Kulturen

  • [Cyanobiose (Symbiose mit Pflanzen)]

• Streptomyces -> 2016

  • Gr+ Bodenbakterium

  • obligat aerob, saprotroph

  • in Boden -> Synthese von Geosmin: Erdgeruch

  • komplexe Zellmorphologie

  • filamentöses Wachstum: Mycel

  • Lufthyphen (Sporophoren): Abschnürung von Konidien (Differenzierung) = dormante Sporen

  • produziert viele Antibiotika (z.B. Streptomycin, Tetracyclin)

  • lebt in Symbiose mit Insekten & Schwämmen (Grabwespen, Pilzgärten)

• Halobacterium salinarum -> 2017

  • Stäbchen; extrem halophil (salzliebend) -> optimales Wachstum: 2-4 M NaCl

  • aerob, heterotroph

  • enthält Bacteriorhodopsin (lichtabhängige Protonenpumpe)

  • hypersaline Lebensräume -> Salinen, Salzseen, Pökelfisch, Sodaseen (hypersalin + alkalisch)

  • hohe intrazelluläre Ionenkonzentration (K+) -> Aufrechterhaltung der osmot. Wasserbilanz

  • [Modellorganismus für Extremophile]

• Lactobacillus -> 2018

  • Gr+ Milchsäurebakterium

  • anaerob/aerotolerant; fermentativ (obligate Gärer)

  • unbeweglich

  • keine Endosporenbildung

  • säuretolerant bis < pH 5

  • einige Arten nutzrn externes Häm -> O2-Atmung

  • besitzen Peroxidase statt Katalase

  • Wuchsstoffbedürftig (Vitamine, AS, Nukleotide)

  • Lactoseverwertung

  • Lebensraum: Darm, Milch, Pflanzenoberflächen

  • biotechn. Bedeutung: Lebensmittelvermentation

    • Silage (= Grünfutterkonservierung), Sauerkraut, Salzgurken

    • Milchsäuregärung (z.B. Joghurt, Käse, Sauerkraut)

• Magnetospirillum (gryphiswaldense) -> 2019

  • Gr- Spirillenbakterium

  • mikroaerophil = Wachstum nur bei verringerter O2-Konz. (< 21% Luftsättigung)

  • anaerobe Atmung (Denitrifikation)

  • isoliert aus Schlamm eines Fließgewässers (1990)

  • ca. 15-120 würfelförmige Magnetosomen aus Magnetit

    -> besitzt Magnetosomen (Eisenpartikel) -> Magnetotaxis

  • Modellorganismus für Biomineralisation, Magnetfeldorientierung, bakterielle Organellen & Magnetnanopartikel

• Myxococcus xanthus -> 2020

  • Gr- Myxobakterium

  • gleitend beweglich (ohne Geißeln) [v.a. via Typ-IV-Pili oder Slime-Secretion]

  • bildet Fruchtkörper (bei Nährstoffmangel)

  • Bodenoberflächen, Baumrinde, Dung

  • Ernährung sprotroph (Cellulose, Polysaccharide, etc.) oder von anderen Bakterien (räuberisches Schwärmen)

  • komplexer Lebenszyklus & Sozialverhalten

  • Kommunikation: Fruchtkörperbildung (Differenzierung)

    [kommuniziert über Signalmoleküle]

  • Bildung von Antibiotika

  • [Modell für Multizellularität, soziale Koperation]

• Saccharomyces cerevisiae -> 2022

  • Hefepilz (Eukaryot)

  • obergärige Hefe steigt an Oberfläche (14-23 °C, 5-7 Tage Gärung; z.B. Weißbier, Alt, Kölsch)

  • fakultativ anaerob (alkohol. Gärung)

  • [Modellorganismus der Molekularbiologie, Gärung, Genetik, Biotechnologie]

• Bacillus subtilis -> 2023

  • Gr+ Stäbchenbakterium

  • aerob

  • bildet Endosporen -> stoffwechselaktive Dauerform (extrem widerstandsfähig)

    • Bildung & Keimung:

      -> Sporulation bei Nährstoffmangel

      -> Aktivierung Sporen durch erhöhte Temp., Nährstoffe (AS) & Feuchtigkeit

      -> asymmetr. Zellteilung & intrazelluläre Differenzierung (komplexer Vorgang) -> > 200 Genfunktionen beteiligt

  • [genetisch gut untersucht

    natürliche Kompetenz zur DNA-Aufnahme

    Modellorganismus, Enzymproduktion, Probiotikum]

• Electronema -> 2024 (ChatPPT)

  • filamentöses Kabelbakterium

  • anaerob; sedimentbewohnend

  • leitet e- über cm-Distanzen

  • trennt Sulfidoxidatiun & Elektronenabgabe räumlich

  • [Modell für “Fern-Elektronentransfer”, Umweltbiotechnologie]

• Corynebacterium glutamicum -> 2025 (ChatPPT)

  • Gr+ Bodenbakterium

  • aerob

  • industrielle Produktion von AS (v.a. L-Glutamat, L-Lysin)

  • robust; leicht genetisch manipulierbar

  • [biotechn. Produktionsorganismus für Lebensmittel- & Futtermittelindustrie]

=> Coenzym F430 (Ni-Enzym): Bestandteil der Methyl-Coenzym

    CoM-Reduktase

• Anaerobe Atmung:

  • Nitratatmung (Denitrifizierung)

    2 NO3(-) + 10 e(-) + 12 H(+) -> N2 + 6 H2O

  • Fumaratmung

    Fumarat + 2 e(-) + 2 H(+) -> Succinat

  • Eisenatmung

    Fe(3+) + e(-) -> Fe(2+)

  • „dissimilatorische Sulfat- & Schwefelreaktion“:

    SO4(2-) + H(+) + 8 [H] -> HS(-) + 4 H2O

    • Schwefelatmung

      S(0) + 2 H(+) + 2 e(-) -> H2S

    • Sulfatatmung (Sulfatreduktion)

      SO4(2-) + 8 e(-) + 10 H(+) -> H2S + 4 H2O

  • Carbonatmung (CO2-Atmung)(Methanogenese)

    CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O

• Aerobe Atmung: O2-Atmung

  O2 + 4 H(+) + 4 e(-) -> 2 H2O